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Astronomie+Physik

Uralter Sternenstaub im Meteorit

präsolarer Staub
Wenige Mikrometer kleine Körnchen aus einem Meteoriten (Ausschnitt) erwiesen sich als präsolarer Sternernstaub. (Bild: NASA, W. Sparks (STScI)/ R. Sahai (JPL), Janaina N. Avila)

Unser Sonnensystem und nahezu alle seine Komponenten entstanden vor rund 4,6 Milliarden Jahren. Doch es gibt kosmische „Zeitkapseln“, die Material aus der Zeit vor der Bildung unserer Sonne konserviert haben – Meteoriten. In einem davon, dem 1969 in Australien eingeschlagenen Murchison-Meteoriten, haben Forscher nun die bisher ältesten bekannten Staubkörnchen der Erde entdeckt. Einer Isotopendatierung zufolge sind einige dieser wenige Mikrometer kleinen Körnchen schon fünf bis sieben Milliarden Jahre alt. Den Forschern zufolge stammen sie wahrscheinlich von einer Episode erhöhter Sternenbildung zu dieser Zeit in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Wir alle bestehen aus Sternenstaub – im wahrsten Sinne des Wortes. Denn die meisten chemischen Elemente im Kosmos entstanden einst durch die Kernfusion im Inneren von Sternen und durch Sternexplosionen. Auch die Atome, aus denen die Planeten des Sonnensystems bestehen, gehen letztlich auf diese Prozesse zurück. Der größte Teil dieses kosmischen Materials in unserem Sonnensystem wurde allerdings durch chemische Reaktionen und Verwitterung so stark verändert, dass sein Ursprung nicht mehr zu erkennen ist. Nur im interstellaren Medium und teilweise im Inneren von Meteoriten ist urtümlicher Sternenstaub erhalten. Doch eine Datierung dieser winzigen Körnchen ist extrem schwierig, weil sie für gängige Datierungsmethoden größtenteils zu klein sind und zudem oft exotische Isotopenzusammensetzungen besitzen, die die Messungen verfälschen, wie Philipp Heck vom Field Museum of Natural History in Chicago und seine Kollegen erklären.

Interstellarer Staub aus dem Murchison-Meteoriten

Nun haben die Forscher jedoch eine Möglichkeit gefunden, das Alter von in Meteoriten eingeschlossenem Sternenstaub trotz dieser Schwierigkeiten zu bestimmen. Ausgangsmaterial dafür war eine Probe aus dem Murchison-Meteoriten, einem sehr ursprünglichen Gesteinsmeteorit, der 1969 in der Nähe des australischen Orts Murchison einschlug. Seit damals lagert ein großer Teil der Meteoritenfragmente in speziellen Isolierbehältern im Chicagoer Field Museum. Aus Proben dieser Fragmente isolierten die Forscher einige Körnchen interstellaren Staubs. „Es beginnt, indem man die Gesteinsfragmente zu einem Pulver zermahlt“, erklärt Hecks Kollegin Jennika Greer. „Wenn dann alle Stückchen zerteilt sind, hat man eine Art Paste, von der ein charakteristischer Geruch nach vergammelter Erdnussbutter ausgeht.“ Diese Paste wird dann mit Säuren gelöst, bis nur noch die mutmaßlich präsolaren Körnchen übrigbleiben. „Es ist ein wenig, als wenn man den Heuhaufen niederbrennt, um die Nadel zu finden“, sagt Heck.

Insgesamt erhielten die Forscher durch dieses Prozedere 40 wenige Mikrometer kleine Körnchen aus präsolarem Material. „Sie sind echte Proben von Sternenmaterial – Sternenstaub“, sagt Heck. Um ihr Alter zu bestimmen, analysierten die Forscher die Körnchen auf ihren Gehalt als kosmogenem Neon-Isotopen – Atomvarianten, die durch das Auftreffen kosmischer Strahlung auf das Material entstehen. „Je länger die Körnchen dieser Strahlung ausgesetzt sind, desto dieser Isotopen bilden sich“, erklärt Heck. „Indem wir messen, wie viele dieser von kosmischer Strahlung erzeugten Elemente in einem präsolaren Körnchen enthalten sind, können wir ermitteln, wie lange sie der Strahlung ausgesetzt waren und damit auch, wie alt sie sind.“ Um Verfälschungen durch die starke Strahlung der jungen Sonne zu vermeiden, nutzten die Wissenschaftler ein Modell, das diese und weitere Störeinflüsse bei der Kalkulation des Alters berücksichtigte.

Bis zu sieben Milliarden Jahre alt

Die Analysen ergaben, dass viele dieser Körnchen bereits älter sind als das Sonnensystem. Die meisten stammen aus der Zeit vor 4,6 bis 4,9 Milliarden Jahren, einige aber sind schon bis zu sieben Milliarden Jahre alt. „Dies sind die ältesten festen Materialien, die je gefunden wurden – und sie verraten uns einiges darüber, wie sich die Sterne in unserer Galaxie gebildet haben“, sagt Heck. Denn die Forscher vermuten, dass die Mehrheit dieser präsolaren Körnchen einst in einer Phase der verstärkten Sternbildung vor rund sieben Milliarden Jahren entstand. „Wir schätzen, dass die Sterne, die in dieser Phase zusammen entstanden, ihre stauberzeugende Phase als Riesensterne zwischen 4,9 und 4,6 Milliarden Jahren erreichten“, berichten die Wissenschaftler. Zu dieser Zeit wurden die Staubkörnchen frei und schwebten im interstellaren Medium umher, bis sie von den im jungen Sonnensystem entstehenden Meteoriten eingeschlossen und konserviert wurden.

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Wie die Forscher erklären, wirft dies ein neues Licht auch auf die Geschichte der Sternbildung in unserer Galaxie: „Einige Leute denken, dass die Sternbildungsrate der Galaxie konstant ist“, sagt Heck. „Aber dank dieser Körnchen aus den Meteoritenproben haben wir nun den direkten Beleg für eine Phase erhöhter Sternbildung vor rund sieben Milliarden Jahren. Das ist eines der Schlüsselergebnisse unserer Studie.“ Doch die Isotopenanalysen ergaben noch etwas Neues: Zumindest ein Teil dieser präsolaren Körnchen muss in Form von zusammengeklebten Klumpen durch das interstellare Medium gedriftet sein. Diese Aggregate waren rund 30 Mal größer als die Körnchen selbst, wie die Forscher berichten. „Keiner dachte, dass dies in dieser Größenordnung möglich wäre“, so Heck. „Es ist wirklich aufregend, auf diese Weise die Geschichte unserer Galaxie zu entschlüsseln.“

Quelle: Philipp Heck (Field Museum of Natural History, Chicago) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.1904573117

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